研究人员集成纳米级3D打印与先进金属加工技术，开发新一代精密射频设备

2025年5月13日，南极熊获悉，来自比尔肯特大学和南洋理工大学的研究人员开发了一种将纳米级3D打印与先进金属加工技术相结合的新型制造工艺，可以制造分辨率低于10微米的高纵横比三维微结构，从而解决了射频（RF）器件工程中最持久的挑战之一。

具有深沟槽的微三维雕刻超结构，分辨率达 10 微米以下

相关研究以题为“Micro-3D sculpturedmetastructures with deep trenches for sub-10 μm resolution”的论文发表在《微系统与纳米工程》期刊上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41378-025-00888-5

几十年来，传统的光刻技术（例如电子束光刻和纳米压印）一直难以满足人们对超精细、高纵横比结构的需求。金属基射频元件也面临着同样的挑战。诸如厚度控制不佳、侧壁不均匀以及材料限制等问题限制了性能和可扩展性。2PP以纳米级精度和3D设计能力而闻名，已成为一种颇具前景的替代方案。然而，由于工艺不兼容，将2PP与可靠的金属化工艺集成用于功能性射频元件仍然难以实现。弥合这一差距对于实现紧凑型高频设备至关重要，这些设备能够满足无线通信、材料传感和芯片级集成不断发展的需求。

在本研究中，研究人员通过结合双光子聚合（2PP）、电镀和干法蚀刻，研究团队实现了宽高比为1:4的深沟槽，同时实现了对谐振特性的精确控制，并显著提高了性能。这种混合制造技术不仅提高了射频元结构的品质因数（Q值）和频率可调性，还将器件尺寸减少了高达45%。这项创新为传感、MEMS和射频超材料等领域的下一代应用铺平了道路，而这些应用的关键在于精度和微型化。

新的光刻方法使用2PP技术创建复杂的深沟槽，然后通过电镀填充铜，并通过干法蚀刻进行精制。最终成果是：超紧凑的射频谐振器，可调频率在4至6 GHz之间，纵横比为1:4，并具有卓越的Q值——所有这些都在低于10微米的分辨率框架内实现。这一里程碑代表了下一代射频和超材料元件制造领域的重大进步。

这项研究的核心是一套结合增材制造和减材制造技术的精密工作流程：首先采用双平面蚀刻 (2PP) 技术，在光刻胶层中定义高纵横比沟槽。然后，通过电镀技术，用厚达 8 µm 的铜填充这些空隙。随后，干法蚀刻去除种子层，形成具有平坦垂直侧壁和卓越尺寸精度的独立金属结构。研究团队演示了宽度仅为 2-3 µm、高度超过 10 µm 的微结构。

△工艺流程包括以下步骤：a在 ITO 涂层玻璃上旋涂AZ-4562 正性光刻胶，b将准备好的基板放置在 3D 打印系统的样品架上并曝光以获得所需的图案，c显影光刻胶的暴露部分，d沿着给定图案的线在 ITO 种子层上沉积厚膜金属铜，e旋涂保护层，f用切割锯将基板切成小块，g去除光刻胶，h用 ICP 对 ITO 种子层进行干蚀刻，以及i热退火以强化铜结构

△高深宽比设计图案。a三维深度 10–11 µm，宽度 2–3 µm；b侧壁平坦。（比例尺：10 µm）

所成形精密射频设备的性能方面同样表现优异。通过调整几何形状（尤其是增加金属厚度），Q 值提高了 6 到 7 倍，谐振频率偏移高达 200 MHz，从而能够针对特定的射频应用进行精确定制。与传统的 PCB 制造谐振器相比，3D 打印版本在保持性能的同时，体积缩小了 45%。

为了确保结构稳定性，研究人员采用快速退火工艺来强化铜键，从而解决了热学和机械方面的挑战。扫描电子显微镜 (SEM) 验证了结构的高保真度，从而确认了坚固性和可制造性。这项技术克服了平面光刻技术的局限性，为紧凑、高性能射频元结构和微型电子器件开辟了新的领域。

研究的资深作者希尔米·沃尔坎·德米尔教授说道：“这项工作弥合了3D打印和功能性射频设备之间的关键差距。通过在高纵横比金属结构中实现亚10微米分辨率，我们为微型高性能组件开启了新的设计自由。通过几何控制来调整谐振频率和Q因子的能力，为下一代传感器和通信系统带来了激动人心的机遇。”

这一制造突破有望重塑需要超紧凑、高精度组件的行业。在无线传感领域，它可以实现具有卓越灵敏度的微型射频传感器。在生物医学技术领域，该技术可用于诊断和治疗的可植入或可穿戴微型设备。与 MEMS 集成后，它可以彻底改变物联网网络的片上天线和信号处理器。与传统光刻技术不同，这种方法可扩展且经济高效，有望在工业部署中得到更广泛的应用。未来的发展方向包括集成其他功能材料或构建多层结构以扩展设备功能。随着 5G、航空航天和智能可穿戴设备等领域对更小、更智能的电子产品的需求激增，这项创新为微纳米级射频工程树立了新的标准。